一种刚性仿人机械手多速率采样协调控制方法

摘要

本发明涉及一种刚性仿人机械手多速率采样协调控制方法，首先搭建仿人机械手运动系统，使用中立II型T‑S模糊方法去建立刚性仿人机械手的非线性动态系统。考虑到每根仿人机械手指的采样速度不一致；仿人机械手指的驱动电机响应速度与采样速度不一致；相邻采样时间序列的采样信息并无明显的变化，造成不必要的计算导致硬件资源的浪费。针对这三个方面问题设计多速率采样事件触发模糊控制器，使得仿人机械手指协调抓取并实现稳定工作。本发明设计一种刚性仿人机械手结构设计及多速率采样协调控制方法，该方法考虑以上三个真实的工况，设计的多速率采样事件触发模糊控制器可以使得仿人机械手运动系统实现稳定工作，具有广阔的市场应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别是一种刚性仿人机械手多速率采样协调控制方法。

背景技术

机器人可代替或协助人类完成各种艰苦或危险的工作，对其研发就显得非常重要。仿人机械手直接作用于目标物体，它的稳定可靠工作是研发机器人的关键。为了实现灵活的抓取，仿人的多个机械手指驱动力是独立的。然而负载是公共的，也就是意味着多个手指之前的负载传递是耦合的。在这种情况下传统的单一运动系统的控制方法已经无法适用，必须寻求新的多运动体协调控制策略。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种刚性仿人机械手多速率采样协调控制方法，能够使得仿人机械手指协调抓取并实现稳定工作。

本发明采用以下方案实现：一种刚性仿人机械手多速率采样协调控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：搭建仿人机械手运动系统；

步骤S2：根据物理学原理以及中立II型T-S模糊模型的表达方法，建立仿人机械手的非线性动态系统；

步骤S3：考虑到每根仿人机械手指的采样速度不一致、仿人机械手指的驱动电机响应速度与采样速度不一致、相邻采样时间序列的采样信息并无明显的变化造成不必要的计算导致硬件资源的浪费这三个问题，设计多速率采样事件触发模糊控制器，使得仿人机械手指协调抓取并实现稳定工作。

进一步地，步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：建立刚性仿人机械手动力学模型，如公式(1)所示：

式中，i表示第i个仿人机械手，其中N是仿人机械手指的个数；是仿人机械手的速度，是广义惯量矩阵，是广义速度二次型矩阵，τ_i(t)是广义驱动力，J_i是雅克比矩阵，F_e(i)是负载力；

步骤S12：考虑到公共的负载力F_e是由多个仿人机械手指末端共同承担的，则：

得到：

步骤S13：将此公式(3)代入(2)后并对方程两边同乘以进一步选择作为模糊前件变量，得到如下的刚性仿人机械手指耦合模糊增广模型：

式中，是非线性函数线性化后的结果，而是非线性函数线性化后的结果；和是中立II型的模糊集；

步骤S14：定义u_i(t)＝τ_i(t)，并且考虑信号F_e(i)难以获得，将公式(4)改写如下的系统：

其中，C_i＝[I>

进一步地，步骤S3包括以下步骤：

步骤S31：考虑到每根仿人机械手指的采样速度不一致，定义：

式中，角标i表示第i个仿人机械手，角标k表示采样的次数，表示第i个仿人机械手的采样周期；为了后续处理上的方便，定义变量得到：

步骤S32：考虑相邻采样时间序列的采样信息并无明显的变化，造成不必要的计算导致硬件资源的浪费问题，设计具有事件触发的反馈信息，如下：

式中，∈_i是一个预设的标量，可以根据实际需要设定；当标量∈_i设定大，那么数据传送就会比较少，控制性能就会比较差，反之亦然；表示第i个仿人机械手指在第k时刻传送的输出信号；

步骤S33：考虑仿人机械手指的驱动电机响应速度与采样速度不一致，定义：

式中，z_i和分别表示仿人机械手指的驱动电机最低的响应速度与最高相应速度；为了后续处理上的方便，定义变量得到：

定义每根仿人机械手指在信号处理上的时变延时γ_i，并由公式(6)和(8)得到信号从采用到处理，再到执行的总消耗时长为：

步骤S34：考虑以下多速率采样事件触发模糊控制器的形式：

式中，是要设计的模糊控制器增益，是要设计的线性控制器；

步骤S35：为了设计上的简便，定义：

步骤S36：将公式(14)-(16)代入(5)后，得到以下闭环控制系统：

步骤S37：建立如下的李雅普诺夫函数：

式中，P_i(2)和P_i(3)是具有适当维数的矩阵；其中

步骤S38：定义一个对称正定矩阵Z_ji，由公式(8)、(15)、(16)得到：

对公式(18)进行求导并考虑公式(19)后得到如下的关系式：

步骤S39：对公式(20)进一步展开，并随着系统在公式(17)，得到：

步骤S310：通过求解公式(21)得到控制器的增益和使得进而实现仿人机械手指协调抓取并稳定工作。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本考虑到每根仿人机械手指的采样速度不一致、仿人机械手指的驱动电机响应速度与采样速度不一致、以及相邻采样时间序列的采样信息并无明显的变化造成不必要的计算导致硬件资源的浪费这三个真是的工况，设计的多速率采样事件触发模糊控制器可以使得仿人机械手运动系统实现稳定工作，具有广阔的市场应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例的仿人机械手运动系统图。

图2为本发明实施例的方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图2所示，本实施例提供了一种刚性仿人机械手多速率采样协调控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：搭建仿人机械手运动系统；如图1所示，所述仿人机械手运动系统100包括机械手驱动电机(10)、机械手爪(20)、负载(30)、仿人机械手基体(40)；

步骤S2：根据物理学原理以及中立II型T-S模糊模型的表达方法，建立仿人机械手的非线性动态系统；

步骤S3：考虑到每根仿人机械手指的采样速度不一致、仿人机械手指的驱动电机响应速度与采样速度不一致、相邻采样时间序列的采样信息并无明显的变化造成不必要的计算导致硬件资源的浪费这三个问题，设计多速率采样事件触发模糊控制器，使得仿人机械手指协调抓取并实现稳定工作。

在本实施例中，步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：建立刚性仿人机械手动力学模型，如公式(1)所示：

式中，i表示第i个仿人机械手，其中N是仿人机械手指的个数；是仿人机械手的速度，是广义惯量矩阵，是广义速度二次型矩阵，τ_i(t)是广义驱动力，J_i是雅克比矩阵，F_e(i)是负载力；

步骤S12：考虑到公共的负载力F_e是由多个仿人机械手指末端共同承担的，则：

得到：

步骤S13：将此公式(3)代入(2)后并对方程两边同乘以进一步选择作为模糊前件变量，得到如下的刚性仿人机械手指耦合模糊增广模型：

式中，是非线性函数线性化后的结果，而是非线性函数线性化后的结果；和是中立II型的模糊集；

步骤S14：定义u_i(t)＝τ_i(t)，并且考虑信号F_e(i)难以获得，将公式(4)改写如下的系统：

其中，C_i＝[I>

在本实施例中，步骤S3包括以下步骤：

步骤S31：考虑到每根仿人机械手指的采样速度不一致，定义：

式中，角标i表示第i个仿人机械手，角标k表示采样的次数，表示第i个仿人机械手的采样周期；为了后续处理上的方便，定义变量得到：

步骤S32：考虑相邻采样时间序列的采样信息并无明显的变化，造成不必要的计算导致硬件资源的浪费问题，设计具有事件触发的反馈信息，如下：

式中，∈_i是一个预设的标量，可以根据实际需要设定；当标量∈_i设定大，那么数据传送就会比较少，控制性能就会比较差，反之亦然；表示第i个仿人机械手指在第k时刻传送的输出信号；

步骤S33：考虑仿人机械手指的驱动电机响应速度与采样速度不一致，定义：

式中，z_i和分别表示仿人机械手指的驱动电机最低的响应速度与最高相应速度；为了后续处理上的方便，定义变量得到：

定义每根仿人机械手指在信号处理上的时变延时γ_i，并由公式(6)和(8)得到信号从采用到处理，再到执行的总消耗时长为：

步骤S34：考虑以下多速率采样事件触发模糊控制器的形式：

式中，是要设计的模糊控制器增益，是要设计的线性控制器；

步骤S35：为了设计上的简便，定义：

步骤S36：将公式(14)-(16)代入(5)后，得到以下闭环控制系统：

步骤S37：建立如下的李雅普诺夫函数：

式中，P_i(2)和P_i(3)是具有适当维数的矩阵；其中

步骤S38：定义一个对称正定矩阵Z_ji，由公式(8)、(15)、(16)得到：

对公式(18)进行求导并考虑公式(19)后得到如下的关系式：

步骤S39：对公式(20)进一步展开，并随着系统在公式(17)，得到：

步骤S310：通过求解公式(21)得到控制器的增益和使得进而实现仿人机械手指协调抓取并稳定工作。

本实施例首先搭建仿人机械手运动系统，使用中立II型T-S模糊方法去建立刚性仿人机械手的非线性动态系统。考虑到每根仿人机械手指的采样速度不一致；仿人机械手指的驱动电机响应速度与采样速度不一致；相邻采样时间序列的采样信息并无明显的变化，造成不必要的计算导致硬件资源的浪费。针对这三个方面问题设计多速率采样事件触发模糊控制器，使得仿人机械手指协调抓取并实现稳定工作。本实施例设计一种刚性仿人机械手结构设计及多速率采样协调控制方法，该方法考虑以上三个真实的工况，设计的多速率采样事件触发模糊控制器可以使得仿人机械手运动系统实现稳定工作，具有广阔的市场应用前景。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。